Гистерезис магнитный: описание, свойства, практическое применение.

Гистерезис происходит от греческого слова, означающего запаздывание или отставание. С данным понятием связана такая физическая величина, как петля гистерезиса, определяющая одну из характеристик тела. Она определенным образом связана также и с физическими величинами, характеризующими внешние условия, такие как магнитное поле.

Общие понятия гистерезиса

Гистерезис можно наблюдать в те моменты, когда какое-либо тело в конкретный период времени будет находиться в зависимости от внешних условий. Данное состояние тела рассматривается и в предыдущее время, после чего производится сравнение и выводится определенная зависимость.

Подобная зависимость хорошо просматривается на примере человеческого тела. Чтобы изменить его состояние потребуется какой-то отрезок времени на релаксацию. Поэтому реакция тела будет всегда отставать от причин, вызвавших измененное состояние. Данное отставание значительно уменьшается, если изменение внешних условий также будет заме для ться. Тем не менее, в некоторых случаях может не произойти уменьшения отставаний. В результате, возникает неоднозначная зависимость величин, известная как гистерезисная, а само явление называется гистерезисом.

Эта физическая величина может встречаться в самых разных веществах и процессах, однако чаще всего рассматриваются понятия диэлектрического, магнитного и упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис как правило появляется в магнитных веществах, например, таких как ферромагнетики. Характерной особенностью этих материалов является самопроизвольная или спонтанная неоднородная намагниченность, наглядно демонстрирующая это физическое явление.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Сам по себе гистерезис представляет собой кривую, отображающую измененный магнитный момент вещества, на которое воздействует периодически изменяющаяся напряженность поля. Когда магнитное поле воздействует на ферромагнетики, то изменение их магнитного момента наступает не сразу, а с определенной задержкой.

В каждом ферромагнетике изначально присутствует самопроизвольная намагниченность. Сам материал включает в свой состав отдельные фрагменты, каждый из которых обладает собственным магнитным моментом. При направленности этих моментов в разные стороны, значение суммарного момента оказывается равным нулю в результате взаимной компенсации.

Если на ферромагнетик оказать воздействие магнитным полем, то все моменты, присутствующие в отдельных фрагментах (доменах) будут развернуты вдоль внешнего поля. В итоге, в материале образуется некоторый общий момент, направленный в одну сторону. Если внешнее действие поля прекращается, то домены не все окажутся в изначальном положении. Для этого потребуется воздействие достаточно сильного магнитного поля, предназначенного для разворота доменов. Такому развороту создают препятствия наличие примесей и неоднородность материала. Поэтому материал имеет некоторую остаточную намагниченность, даже при отключенном внешнем поле.

Для снятия остаточного магнитного момента, необходимо приложение действия поля в противоположном направлении. Напряженность поля должна иметь величину, достаточную, чтобы выполнить полное размагничивание материала. Такая величина известна как коэрцитивная сила. Дальнейшее увеличение магнитного поля приведет к перемагничиванию ферромагнетика в противоположную сторону.

Когда напряженность поля достигает определенного значения, материал становится насыщенным, то есть магнитный момент больше не увеличивается. При снятии поля вновь наблюдается наличие остаточного момента, который снова можно убрать. Дальнейшее увеличение поля приводит к попаданию в точку насыщения с противоположным значением.

Таким образом, на графике появляется петля гистерезиса, начало которой приходится на нулевые значение поля и момента. В дальнейшем, первое же намагничивание выводит начало петли гистерезиса из нуля и весь процесс начинает происходить по графику замкнутой петли.

Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от +Н до –Н и снова от –Н до +Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса. При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Bs, называется индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от +Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию Вс. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную 0, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности -Нс. Отрицательная напряженность магнитного поля -Нс называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения –Н, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция –Вс. Если повысить напряженность магнитного поля до +Нс, то остаточная магнитная индукция Вс будет равна 0. Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельных состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания. По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Вс, коэрцитивную силу Нс.

Кривая намагничивания

Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала Bi измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью. Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Нв. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Нр. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяют внутреннюю магнитную напряженность Hi материала. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Важное свойство сегнетоэлектриков обнаруживается при изучении зависимости электрического смещения (D) от напряженности поля (E). Смещение является не прямо пропорциональным полю. Диэлектрическая проницаемость вещества () зависит от напряженности поля. Кроме того, величина диэлектрического смещения зависит не только от значения напряженности электрического поля в настоящий момент, но и от предыстории состояний поляризации. Это явление носит название диэлектрического гистерезиса . Зависимость смещения D от напряженности поля E для сегнетоэлектриков графически изображается петлей гистерезиса (рис.1).

Между обкладками плоского конденсатора поместим сегнетоэлектрик. Будем изменять напряженность (E) внешнего электрического поля по гармоническому закону. При этом станем проводить измерение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика (). При этом используется схема, которая состоит из двух конденсаторов, соединенных последовательно. К крайним клеммам конденсаторов присоединен генератор, который создает разность потенциалов, которая изменяется по гармоническому закону. Один из имеющихся конденсаторов заполнен сегнетоэлектриком (его емкость обозначим C), в другом диэлектрик отсутствует (). Считаем, что площади обкладок конденсаторов равны, расстояния между обкладками - d. Тогда напряженности полей конденсаторов:

тогда разности потенциалов между обкладками соответствующих конденсаторов:

где - плотность заряда на пластинах конденсатора. Тогда отношение равно:

Если напряжение U подают на горизонтальную развертку осциллографа, а напряжение на вертикальную развертку, то на экране осциллографа отобразится, при изменении E, кривая, абсцисса точек которой в некотором масштабе равна , а ордината - . Данная кривая будет петлей гистерезиса (рис.1).

Стрелки на представленной кривой указывают направления изменения напряженности поля. Отрезок ОВ - отображает величину остаточной поляризации сегнетоэлектрика. Это поляризация диэлектрика при внешнем поле равном нулю. Чем больше отрезок ОВ, тем больше остаточная поляризация. Отрезок ОС отображает величину напряженности, противоположного направления к вектору поляризации, при которой сегнетоэлектрик полностью деполяризован (остаточная поляризация равна нулю). Чем больше длина отрезка ОС, тем лучше остаточную поляризацию удерживает сегнетоэлектрик.

Петлю гистерезиса можно получить, если производить перемагничивание ферромагнетика в периодическом магнитном поле. Кивая зависимости магнитной индукции магнетика от напряженности внешнего магнитного поля (B(H)) будет иметь вид аналогичный рис.1. Демонстрация петли гистерезиса для ферромагнетиков проводится по выше описанной схеме, но при замене конденсаторов на катушки.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Объясните, почему ферромагнетики при циклическом перемагничивании нагреваются тем больше, чем ярче у них выражен гистерезис.

Решение

Рассмотрим ферромагнетик, гистерезис которого представлен рис.2. При увеличении индукции от до совершается работа, которая равна площади, ограниченной ветвью кривой намагничивания 1, то есть площади . При размагничивании до исходного состояния возвращаемая работа равна площади , которая имеет, очевидно меньшую величину. Так, при полном цикле перемагничивания нашего ферромагнетика на каждую единицу объема вещества вводится энергия, равна W, причем: где S - площадь петли гистерезиса. Данная энергия тратится на выполнение работы против коэрцитивных сил в ферромагнетике и в результате переходит в теплоту. Следовательно, ферромагнетики нагреваются тем больше, чем сильнее у них проявляется гистерезис.

ПРИМЕР 2

Задание

Зачем тепло гистерезиса учитывают при расчете электрических приборов и устройств?

Решение

Тепло гистерезиса необходимо учитывать при расчете разных электрических устройств, если они содержат ферромагнетики, которые в ходе работы устройства подвержены перемагничиванию. (см. пример 1). Примерами подобных устройств являются железные сердечники трансформаторов, железные якори генераторов постоянного тока. Существование гистерезиса в них ведет к тому, что происходит бесполезная затрата энергии, выделяющаяся в виде теплоты, что понижает коэффициент полезного действия приборов и установок. Для уменьшения ненужных трат используют сорта мягкого железа, у которых петли гистерезиса минимальны, то есть гистерезис проявляется слабо.

Гистерезис (от греч. hysteresis - отставание, запаздывание), явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия (например, магнитного поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т.к. для изменения состояния тела всегда требуется определённое время (время релаксации) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внешние условия Однако для некоторых процессов отставание при замедлении изменения внешних условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин называется гистерезисной, а само явление - Г.

Г. наблюдается в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интерес представляют: магнитный Г., диэлектрический Г. и упругий Г.

Магнитный Г. наблюдается в магнитных материалах, например в ферромагнетиках. Основной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обычно ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит на домены - области однородной спонтанной намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитного момента единицы объема) одинакова, а направления различны. Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, магнитные моменты отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В результате магнитный момент образца увеличивается.

На рис. 1 изображена зависимость магнитного момента М ферромагнитного образца от напряжённости Н внешнего магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном поле образец намагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля значение М практически не изменяется, точка А). При этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщения M s , направленным по полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля Н магнитный момент образца М будет уменьшаться по кривой I преимущественно за счёт возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение затруднено из-за наличия в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т.п.), которые закрепляют доменные стенки в некоторых положениях; требуются достаточно сильные магнитные поля для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поля Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточный магнитный момент M r (точка В).

Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, называемом коэрцитивным полем (коэрцитивной силой) Н с (точка С). При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка D). Перемагничивание образца (из точки D в точку А) происходит по кривой II. Т. о., при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение магнитного момента образца, образует петлю магнитного Г. Если поле Н циклически изменять в таких пределах, что намагниченность насыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Г. (кривая III). Уменьшая амплитуду изменения поля Н до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки О происходит по кривой IV.

При магнитном Г. одному и тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля Н соответствуют разные значения магнитного момента М. Эта неоднозначность обусловлена влиянием состояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией образца).

Вид и размеры петли магнитного Г., величина Н с в различных ферромагнетиках могут меняться в широких пределах. Например, в чистом железе Нс= 1 э, в сплаве магнико Нс= 580 э. На петлю магнитного Г. сильно влияет обработка материала, при которой изменяется число дефектов (рис. 2).

Площадь петли магнитного Г. равна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (например, в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрических машин), применяют магнитномягкие материалы, обладающие малым Нс и малой площадью петли Г. Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткие материалы с большим Нс.

С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами и магнитной вязкостью. Соответственно площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда называют динамической петлей, в отличие от описанной выше статической петли.

От магнитного момента зависят многие др. свойства ферромагнетика, например электрическое сопротивление, механическая деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этих свойств. Соответственно наблюдается, например, гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.

Диэлектрический Г. наблюдается обычно в сегнетоэлектриках, например титанате бария. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектриках (рис. 3) подобна зависимости М от Н в ферромагнетиках и объясняется наличием спонтанной электрической поляризации, электрических доменов и трудностью перестройки доменной структуры. Гистерезисные потери составляют большую часть диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках.

Поскольку с поляризацией связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, например деформация, то с диэлектрическим Г. связаны др. виды Г., например пьезоэлектрический Г. (рис. 4), Г. электрооптического эффекта. В некоторых случаях наблюдаются двойные петли диэлектрического Г. (рис. 5). Это объясняется тем, что под влиянием электрического поля в образце происходит фазовый переход с перестройкой кристаллической структуры. Такого рода диэлектрический Г. тесно связан с Г. при фазовых переходах.

Упругий Г., т. е. гистерезисная зависимость деформации и от механического напряжения s, наблюдается в любых реальных материалах при достаточно больших напряжениях (рис. 6). Упругий Г. возникает всякий раз, когда имеет место пластическая (неупругая) деформация (см. Пластичность). Пластическая деформация обусловлена перемещением дефектов, например дислокаций, всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси, включения и др. дефекты, а также сама кристаллическая решётка стремятся удержать дислокацию в определенных положениях в кристалле. Поэтому требуются напряжения достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механическая обработка и введение примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходит упрочнение материала, пластическая деформация и упругий Г. наблюдаются при больших напряжениях. Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном счёте на нагревание образца. Потери на упругий Г. дают вклад во внутреннее трение. В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др. потери, например обусловленные вязкостью. Величина этих потерь, в отличие от гистерезисных, зависит от частоты изменения s (или и). Иногда понятие "упругий Г." употребляется шире - говорят о динамической петле упругого Г., включающей все потери на данной частоте.

Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967; Вонсовский С. В., Современное учение о магнетизме, М. - Л., 1952; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, М., 1969; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Рассмотрим процесс переменного намагничивания ферромагнитного материала. Для этой цели намотаем на стальной сердечник обмотку и будем по ней пропускать постоянный ток. Предположим, что сердечник электромагнита ранее не был намагничен.

Увеличивая проходящий по виткам обмотки ток I от нуля, мы тем самым будем увеличивать намагничивающую силу и напряженность поля H . Величина магнитной индукции B в сердечнике будет также увеличиваться. Кривая намагничивания 0а на рисунке 1 имеет прямолинейную часть, а затем вследствие насыщения кривая поднимается медленно, приближаясь к горизонтали. Если теперь, достигнув точки а , уменьшать H , то будет уменьшаться и B . Однако уменьшение B при уменьшении H , то есть при размагничивании, будет происходить с запаздыванием по отношению к уменьшению H . Величина остаточной индукции при H = 0 характеризуется отрезком 0б .

Для того чтобы магнитная индукция в сердечнике стала равной нулю, необходимо намагничивать материал в обратном направлении, то есть перемагнитить его. Для этой цели направление тока в обмотке меняется на обратное. Направление магнитных линий и напряженности магнитного поля также изменяется. При напряженности поля H = 0в индукция в сердечнике равна нулю и материал сердечника полностью размагничен. Значение напряженности поля H = 0в при B = 0 является определенной характеристикой материала и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

Повторяя процесс перемагничивания, мы получаем замкнутую кривую а б в г д е а , которая называется петля гистерезиса или петля магнитного гистерезиса. Гистерезис от греческого – отстающий, запаздывающий. На этом опыте легко убедиться, что намагничивание и размагничивание сердечника (появление и исчезновение полюсов, магнитной индукции или магнитного потока) отстают от момента появления и исчезновения намагничивающей и размагничивающей силы (тока в обмотке электромагнита). Явление гистерезиса можно иными словами охарактеризовать как отставание изменений магнитной индукции от изменений напряженности поля. Перемагничивание материала связано с затратой некоторого количества энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего материал.

Магнитный гистерезис особенно сильно сказывается, если материал сердечника обладает большим остаточным магнетизмом (например, твердая сталь). Явление гистерезиса в большинстве случаев вредно. Оно вызывает потери на гистерезис выраженные в нагреве сердечника и лишних затратах мощности источника напряжения, а также сопровождается гудением сердечника вследствие перемены полярности и поворотов элементарных частиц материала сердечника.

Первое серьезное исследование процессов намагничивания стали было проведено Александром Григорьевичем Столетовым (1839 – 1896) в 1872 году и опубликовано в работе "О функции намагничивания мягкого железа".

А. Г. Столетов, кроме того, исследовал и объяснил природу внешнего фотоэффекта и изготовил первый фотоэлемент.

Видео 1. Гистерезис